synchronized

互斥同步是常见的并发正确性保障方式。

互斥是实现同步的一种手段，临界区、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要互斥方式。互斥是因，同步是果。

监视器锁（Monitor 另一个名字叫管程）本质是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

mutex 的工作方式

在 Java 虚拟机 (HotSpot) 中，Monitor 是基于 C++ 实现的，由 ObjectMonitor 实现的, 几个关键属性：

• _owner：指向持有 ObjectMonitor 对象的线程
• _WaitSet：存放处于 wait 状态的线程队列
• _EntryList：存放处于等待锁 block 状态的线程队列
• _recursions：锁的重入次数
• count：用来记录该线程获取锁的次数

ObjectMonitor 中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存 ObjectWaiter 对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成 ObjectWaiter 对象)，_owner 指向持有 ObjectMonitor 对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的 monitor 后进入 _Owner 区域并把 monitor 中的 owner 变量设置为当前线程同时 monitor 中的计数器 count 加 1。

若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的 monitor，owner 变量恢复为 null，count 自减 1，同时该线程进入 WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取 monitor(锁)。

在 Java 中，最基本的互斥同步手段就是 synchronized，经过编译之后会在同步块前后分别插入 monitorenter, monitorexit 这两个字节码指令，而这两个字节码指令都需要提供一个 reference 类型的参数来指定要锁定和解锁的对象，具体表现如下所示：

• 在普通同步方法，reference 关联和锁定的是当前方法示例对象；
• 对于静态同步方法，reference 关联和锁定的是当前类的 class 对象；
• 在同步方法块中，reference 关联和锁定的是括号里制定的对象；

Java 对象头

synchronized 用的锁也存在 Java 对象头里，在 JVM 中，对象在内存的布局分为三块区域：对象头、实例数据、对其填充。

• 对象头：MarkWord 和 metadata，也就是图中对象标记和元数据指针；
• 实例对象：存放类的属性数据，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按 4 字节对齐；
• 填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐；

对象头是 synchronized 实现的关键，使用的锁对象是存储在 Java 对象头里的，jvm 中采用 2 个字宽（一个字宽代表 4 个字节，一个字节 8bit）来存储对象头(如果对象是数组则会分配 3 个字宽，多出来的 1 个字宽记录的是数组长度)。其主要结构是由 Mark Word 和 Class Metadata Address 组成。

Mark word 记录了对象和锁有关的信息，当某个对象被 synchronized 关键字当成同步锁时，那么围绕这个锁的一系列操作都和 Mark word 有关系。

其中 Mark Word 在默认情况下存储着对象的 HashCode、分代年龄、锁标记位等。Mark Word 在不同的锁状态下存储的内容不同，在 32 位 JVM 中默认状态为下：

在运行过程中，Mark Word 存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，可能出现如下 4 种数据：

锁标志位的表示意义：

• 锁标识 lock=00 表示轻量级锁
• 锁标识 lock=10 表示重量级锁
• 偏向锁标识 biased_lock=1 表示偏向锁
• 偏向锁标识 biased_lock=0 且锁标识=01 表示无锁状态

到目前为止，我们再总结一下前面的内容，synchronized(lock) 中的 lock 可以用 Java 中任何一个对象来表示，而锁标识的存储实际上就是在 lock 这个对象中的对象头内。

Monitor（监视器锁）本质是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的。Mutex Lock 的切换需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。所以 synchronized 是 Java 语言中的一个重量级操作。

在 JDK1.6 之前，synchronized 是一个重量级锁，性能比较差。从 JDK1.6 开始，为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，synchronized 进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁的概念。

所以从 JDK1.6 开始，锁一共会有四种状态，锁的状态根据竞争激烈程度从低到高分别是: 无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态。这几个状态会随着锁竞争的情况逐步升级。为了提高获得锁和释放锁的效率，锁可以升级但是不能降级。

为什么任意一个 Java 对象都能成为锁对象呢？

Java 中的每个对象都派生自 Object 类，而每个 Java Object 在 JVM 内部都有一个 native 的 C++对象 oop/oopDesc 进行对应。其次，线程在获取锁的时候，实际上就是获得一个监视器对象(monitor) ,monitor 可以认为是一个同步对象，所有的 Java 对象是天生携带 monitor。

多个线程访问同步代码块时，相当于去争抢对象监视器修改对象中的锁标识, ObjectMonitor 这个对象和线程争抢锁的逻辑有密切的关系。